測試技術基礎實驗最終版完整版

1、 實驗一 直流電橋實驗一、實驗目的：金屬箔式應變片的應變效應，單臂、半橋、全橋測量電路工作原理、性能。二、實驗儀器：應變傳感器實驗模塊、托盤、砝碼、試驗臺（數(shù)顯電壓表、正負15V直流電源、正負4V電源）。三、實驗原理：電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形，電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應，關系式：(1-1)式中 為電阻絲電阻相對變化；為應變靈敏系數(shù)；為電阻絲長度相對變化。金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感組件。如圖1-1所示，將四個金屬箔應變片分別貼在雙孔懸臂梁式彈性體的上下兩側，彈性體受到壓力發(fā)生形變，應變片隨彈性體形變被拉伸，或被壓縮。當受到壓力時，上面二個應變片被拉伸，下面

2、二個應變片則被壓縮。圖1-1 雙孔懸臂梁式稱重傳感器結構圖通過這些應變片轉換彈性體被測部位受力狀態(tài)變化，電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，(1) 單臂電橋：如圖1-2所示R5=R6=R7=R為固定電阻，與應變片一起構成一個單臂電橋，其輸出電壓(1-2)為電橋電源電壓；式(1-2)表明單臂電橋輸出為非線性，非線性誤差為L=。(2) 半橋：不同受力方向的兩只應變片接入電橋作為鄰邊，如圖1-3。電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善，當兩只應變片的阻值相同、應變數(shù)也相同時，半橋的輸出電壓為(1-3)式中 為電阻絲電阻相對變化；為應變靈敏系數(shù)；為電阻絲長度相對變化；為電橋電源電壓。式(1-3)表明，半橋

3、輸出與應變片阻值變化率呈線性關系。（3）全橋：全橋測量電路中，將受力性質相同的兩只應變片接到電橋的對邊，不同的接入鄰邊，如圖1-4，當應變片初始值相等，變化量也相等時，其橋路輸出Uo= (1-4)式中為電橋電源電壓。為電阻絲電阻相對變化；式(1-4)表明，全橋輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差得到進一步改善。(4) 比較：根據(jù)式(1-2)、(1-3)、(1-4)電橋的輸出可以看出，在受力性質相同的情況下，單臂電橋電路的輸出只有全橋電路輸出的1/4，而且輸出與應變片阻值變化率存在線性誤差；半橋電路的輸出為全橋電路輸出的1/2。半橋電路和全橋電路輸出與應變片阻值變化率成線性。四、實驗內(nèi)容與步

4、驟：1應變傳感器上的各應變片已分別接到應變傳感器模塊左上方的R1、R2、R3、R4上。 R1、R3為梁上部電阻，R2、R4為梁下部電阻，當懸臂梁一端加重物時，R1、R3受拉力，R2、R4受壓力。2差動放大器調(diào)零。從主控臺接入15V電源，檢查無誤后，合上主控臺電源開關，將差動放大器的輸入端Ui短接并與地短接，輸出端Uo2接數(shù)顯電壓表（選擇2V檔）。將電位器Rw3調(diào)到增益最大位置（順時針轉到底），調(diào)節(jié)電位器Rw4使電壓表顯示為0V。關閉主控臺電源。（Rw3、Rw4的位置確定后不能改動）拔掉差動放大器輸入端的短接線。圖1-2 單臂電橋面板接線圖圖1-3單臂實驗結果參考3按圖1-2連線，將應變式傳感器

5、的其中一個應變電阻（如R1）接入電橋與R5、R6、R7構成一個單臂直流電橋。加托盤。電橋輸出接到差動放大器的輸入端Ui，檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關，調(diào)節(jié)Rw1使電壓表顯示為零。4在應變傳感器托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值，直到200g砝碼加完，記下實驗結果，填入下表中單臂一列。5. 保持差動放大電路不變，仿照步驟3，分別按圖1-4，1-6將應變電阻連接成半橋和全橋電路，做半橋和全橋性能實驗，并將實驗數(shù)據(jù)記錄在下表中。6連接NI數(shù)據(jù)采集卡和轉接板，將數(shù)據(jù)采集卡與電腦用數(shù)據(jù)線連接，開啟實驗臺電源和數(shù)據(jù)采集卡開關，運行”measurement&autom

6、ation”察看輸入通道在轉接板上的對應位置（AI068，AI133，GND67）。GND接輸出端地線，AI0接輸出端Uo2。圖1-4 半橋面板接線圖圖1-5半橋實驗結果參考圖1-6 全橋面板接線圖圖1-7全橋實驗結果參考五、實驗報告：1根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)分別計算單臂、半橋、全橋系統(tǒng)靈敏度SU/W（U輸出電壓變化量，W重量變化量），并與LabVIEW所得結果作對比（要求三個截圖）。實驗數(shù)據(jù)記錄表重量/g20406080100120140160180200電壓/mV單臂12.124.343.954.969.478.192.9111121135半橋25.648.477.810613316018621

7、0235262全橋49.7103151204259314361417470519六、注意事項：實驗所采用的彈性體為雙孔懸臂梁式稱重傳感器，量程為1kg，最大超程量為120。因此，加在傳感器上的壓力不應過大，以免造成應變傳感器的損壞！實驗三 交流全橋動態(tài)特性測試一、實驗目的：了解交流全橋測量動態(tài)應變參數(shù)的原理與方法，進一步熟練使用NI數(shù)據(jù)采集卡，掌握一種測量梁的固有頻率的方法。通過本實驗進一步加深對電橋、信號調(diào)制與解調(diào)、濾波和放大概念的理解。二、實驗儀器：振動源，信號源，移相器/相敏檢波/低通濾波模塊，應變傳感器實驗模塊，15V電源，6251采集卡，裝有l(wèi)abview和NI驅動的計算機。三、實驗

8、原理：應變傳感器模塊電橋的交流電源由高頻的信號源提供，振動源的交流電源由低頻信號源驅動，振動梁的根部貼有四個應變片，將四個應變片接入電路則構成一個交流全橋，其輸出為：用交流電橋測量交流應變信號時，橋路輸出為一調(diào)制波。當雙平行振動梁被不同頻率的信號激勵時，起振幅度不同，貼于應變梁表面的應變片所受應力不同，電橋輸出信號大小也不同，若激勵頻率與梁的固有頻率相同時則產(chǎn)生諧振，此時電橋輸出信號最大，根據(jù)這一原理可以找出梁的固有頻率。圖3-1 振動梁實驗裝置提示：用數(shù)據(jù)采集卡代替示波器圖3-2 梁固有頻率測試接線圖四、實驗內(nèi)容與步驟：1、按照交流全橋性能測試實驗連接電路，如圖3-2所示，由于自動梁上已經(jīng)安

9、裝上應變片，所以不用模塊上的應變電阻，改用振動梁上的應變片，通過導線連接到振動源源板的“應變輸出”。四個應變電阻通過導線接到了應變傳感器模塊的虛線全橋上。此時應將連接到左上角應變片上的導線拔掉。2、重復稱重實驗，先將差分放大器短接，使得差分輸出為0，將振動梁輕壓到底，調(diào)節(jié)移相旋鈕使得示波器出現(xiàn)全波整流波形，如圖3-3所示，這時系統(tǒng)靈敏度最高。圖3-3 靈敏度調(diào)節(jié)3將信號源Us2低頻振蕩器輸出接入振動臺激勵源插孔，同時接到主控臺上的頻率表，調(diào)節(jié)低頻信號源輸出幅度和頻率使振動臺明顯有振動。4低頻振蕩器幅度調(diào)節(jié)不變，改變低頻振蕩器輸出信號的頻率（用頻率/轉速表監(jiān)測），用上位機檢測頻率改變時低通濾波器

10、輸出波形的電壓峰峰值，如圖3-4所示，填入下表。圖3-4 振動梁固有頻率測試f(Hz) 14151617181920212223Vpp(mV)4050566091368704540385實驗結束后，關閉實驗臺電源，整理好實驗設備。五、實驗報告：用交流全橋實驗裝置測試振動梁的固有頻率，將實驗結果填入下表并附上共振時的截圖。實驗數(shù)據(jù)記錄表f(Hz) 14151617181920212223Vpp(mV)6973798710515218325014085六、注意事項：進行此實驗時低頻信號源幅值旋鈕約放在3/4位置為宜。實驗四 典型傳感器技術指標標定及測量一、實驗目的：(1) 深入理解電容式位移傳感器

11、、光線傳感器和電渦流傳感器的工作原理、基本結構、性能及應用。(2) 掌握測量典型位移傳感器標定方法和最小二乘法誤差數(shù)據(jù)處理方法及獲得方法。(3) 掌握利用典型位移傳感器（電容傳感器、光纖傳感器、電渦流傳感器）測量厚度的方法。二、實驗內(nèi)容及原理：實驗過程中，同學可以從電容傳感器、光纖傳感器和電渦流傳感器中自由選擇一種傳感器進行標定和檢測，有興趣的同學也可以把這三種傳感器都進行試驗，更好的理解典型傳感器的標定以及其在測厚（距）方面應用的區(qū)別。下面分別講述這三種傳感器的工作原理。電容式傳感器是一種將被測量的變化轉換成電容量的變化，經(jīng)電路處理再變換成電壓量輸出的一種測量裝置，通過檢測輸出電壓的變化來獲

12、得被測量的信息。電容傳感器具有結構簡單、測量精度高、動態(tài)響應快、非接觸等優(yōu)點，廣泛應用于位移、液位、振動等測量之中。在一般工作狀態(tài)下，電容傳感器極板間的位移變化和輸出電壓近似成線性關系，為靈敏度。每種電容傳感器的靈敏度不同，在測量之前都需要進行標定，靈敏度標定準確與否直接影響測量精度。三、實驗要求：1) 根據(jù)傳感器的輸出信號波形變化確定傳感器的線性工作范圍；2) 用給定的虛擬儀器軟件完成傳感器的標定，求出靈敏度及最小二乘擬合非線性度和端點連線非線性度；3) 熟練使用虛擬儀器軟件Labview進行編程，用給定的標定模板編寫數(shù)據(jù)處理程序，并用編寫的程序進行標定；4) 用給定的相對測量程序模板編寫相

13、對測量程序，并用自己編寫的程序重新完成工件厚度的相對測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析工件誤差。四、實驗裝置：傳感器與檢測技術實驗臺（電容傳感器實驗模板、光纖傳感器實驗模塊、電渦流傳感器實驗模板、電容傳感器、光纖傳感器、電渦流傳感器、數(shù)顯表、15V電源、4V電源、NI采集卡、PC機、Labview等虛擬儀器軟件）。五、實驗步驟： 電容傳感器的標定1) 搭建電容傳感器標定系統(tǒng)。按照圖4-1將電容傳感器安裝在電容傳感器試驗模板上，輸出信號通過采集卡接入計算機。輸出信號同時接數(shù)顯表.圖 4-1 電容傳感器的安裝2) 確定傳感器的線性工作范圍。調(diào)整螺旋測微器，改變傳感器測頭位置，在數(shù)顯表上觀察輸出信號的變化，確定

14、傳感器的線性工作范圍。3) a、使用給定軟件標定利用給定軟件對電容傳感器進行標定。把傳感器位置調(diào)整在最佳線性工作范圍的一個端點處，把此位置設定為初始位移值。轉動工作臺上的測微頭，使傳感器的測頭調(diào)動的步長設為一固定量值（一般為1mm），并記錄此時傳感器輸出電壓。按照同樣的方法，測得整個范圍內(nèi)標定點的數(shù)據(jù)。采用最小二乘法和端點連線求出傳感器的靈敏度和非線性度，并對兩種處理方法的結果進行比較。b、傳感器技術指標標定及檢測系統(tǒng)的使用在標定完成后可使用軟件的測量功能任選以物品進行厚度測量。圖4-2 傳感器技術指標標定及檢測系統(tǒng)的前臺界面圖4-3 傳感器技術指標標定及檢測系統(tǒng)的后臺界面圖4-4 最小二乘法標定(模擬數(shù)據(jù))檢測軟件用Labview開發(fā)，用來標定典型傳感器的技術指標，包括：線性度、靈敏度、均方差等。（見圖4-4）。同時該軟件還具有測量功能，可以根據(jù)標定產(chǎn)生的數(shù)據(jù)擬和所產(chǎn)生的參數(shù)測量位移量。軟件前臺界面分為：顯示區(qū)、設置區(qū)、標定數(shù)據(jù)區(qū)、測量數(shù)據(jù)區(qū)等區(qū)域，在不同的應用場合需要設置不同的參數(shù)或從相應的區(qū)域得到關心的數(shù)據(jù)。六、實驗報告：1、根據(jù)軟件做出擬合曲線（要求截圖）。2、 最小二乘法和端點連線法確定的非線性度有什么關系？在什么情況下一致？ 最小二乘法確定的非線性度是每兩點之間的連線確定的非線性度的平均值，在只采集兩點的情況下一致。3、 相對測量和絕對測量相